质子交换膜燃料电池的建模与鲁棒控制

《质子交换膜燃料电池的建模与鲁棒控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、上海交通大学博士学位论文质子交换膜燃料电池的建模与鲁棒控制姓名：邵庆龙申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：曹广益20040901上海交通大学博士学位论文摘要质子交换膜燃料电池的建模与鲁棒控制摘要我国正面临着资源贫乏(主要是石油天然气煤炭等)能源供应短缺和环境污染恶化的危机以及能源开发建设资金严重不足的困境因此质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种把燃料气和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置具有室温条件下运行启动迅速能量转化效率高功率密度高过载能力大无污染可实现零排放效率随输出变化的特性好运行噪声低可靠性高模块化结构组装和维护方便燃料(氢气)来源

2、广泛和可再生燃料补充方便环境适应性强因此越来越受到世人的瞩目目前对它的研究正是如火如荼论文的研究课题就是在此背景下提出的论文从分析PEMFC的输出性能入手辨识出了输出性能的模糊Takagi-Sugeno(T-S)模型重点分析了影响输出性能的两大问题──水管理和热管理建立了水传输和热传输模型通过对模型仿真与实验结果比较验证了模型的有效性并基于模型分别设计了水管理和热管理的控制器通过仿真说明了控制器的可行性本文的主要结论如下1充分研究和分析了现有的绝大部分有关PEMFC的数学模型定性分析了影响PEMFC输出性能和可靠性的因素PEMFC输出性能是反应电池性能好坏的综合

3、体现论文从PEMFC的材料结构(包括元件材料元件的结构尺寸加工和PEMFC的组装等)和运行参数(包括PEMFC运行的温度阴阳极压力反应气体的湿度和流量以及电流负载等)两分面进行了分析本文的重点是研究PEMFC在运行过程中如何通过调节运行参数提高其输出性能而PEMFC的材料和结构设计装配等因素不包括在本文范围内2为了更深入的了解运行参数对PEMFC输出性能的影响文中首次基于模糊辨识的建模方法建立了PEMFC输出性能的T-S模型该建模方法与传统的PEMFC建模方法相比能够非常方便的建立多参数模型并且模型结构简单精度高该建模方法还可以实现在线实时建模方便地应用于PEM

4、FC的系统控制中3在PEMFC诸多运行参数中影响输出性能的主要因素分别为水在膜和扩I上海交通大学博士学位论文摘要散层的含量和PEMFC的工作温度也就是水的传输和热的传输两大问题因此本文就PEMFC的水管理和热管理对其性能影响的问题进行了重点讨论分别从不同的角度建立了PEMFC膜中水传输和阴极液态水传输动态模型以及电堆的动态热传输模型尽管目前已存在不少有关水传输的模型但能够适合于对电池中的水进行控制和管理的模型却非常少电池的热模型中单电池模型也已有相等多的文献论述但有关电堆热模型还很少见能够用于电堆热管理的模型就更少因此文中主要是建立能够适用于水热管理或控制的模型

5、在水传输模型中分别从不同的角度建立了以饱和度描述的阴极液态水传输模型和以膜水含量描述的膜中水传输模型通过对阴极液态水传输模型的分析得到了膜/扩散层界面和流道/扩散层界面液态水出现的电流密度和空气流速的临界值同时还研究了单电池在不同运行参数下扩散层中饱和度的分布这为控制流道和扩散层水的泛滥奠定了基础以膜水含量描述的膜中水传输模型是基于一种全新的工程近似建模方法建立的它避免了求解时间和空间组成的分布参数的偏微分方程该模型得到了膜中水含量与电池运行参数之间的关系通过仿真分析了运行参数对膜水含量的影响为实时调节不同运行参数实现膜中水含量的控制打下了基础电堆热传输动态模型

6、是以整个电堆为研究对象基于电堆的能量守恒而建立的该模型的建立避免了研究组成电堆的各单电池内部和它们之间非常复杂的热传输过程和单电池内部水的传输与热传输的耦合问题使得模型大大简化通过仿真和与实验结果比较验证了模型的合理性并且该模型也比较适合于电堆温度的实时控制4根据所建立的水和热传输模型分别设计了水热管理的控制器使得电池内水含量既能保证膜的很好水合又不至于引起阴极扩散层水的过渡泛滥同时还保证电堆工作在较佳的温度工作点文中所得到以膜水含量描述的膜中水传输模型为具有不确定性的分段奇异系统(或描述系统)根据该系统特点基于LMI(线性矩阵不等式)和鲁棒控制理论设计了膜水含

7、量的鲁棒控制器而得到的电堆热传输模型是具有不确定性和扰动的非线性模型针对该模型设计了电堆温度的鲁棒自适应控制器通过仿真显示了控制器精度高动态特性好本文具有的创新结果和新见解如下1首次基于模糊辨识方法建立了PEMFC输出性能的Takagi-Sugeno模型2首次基于工程近似法建立了膜中水传输动态模型主要描述膜内水含量与运行参数之间的关系从仿真结果可知该模型是合理的3根据J.C.Amphlett的电堆热传输建模思想建立了更加完善适合于电堆温度控制的动态模型通过实验数据验证了该模型的合理性II上海交通大学博士学位论文摘要4通过对膜中水传输模型的简化得到了以布朗运动描述

8、的不确定性的膜中奇异线性